Основы теории и проектирования ВЧ- и СВЧ-устройств на регулярных связанных линиях передачи

5.3. Влияние входных параметров на характеристики фильтров...

соответствует 4 , относительная полоса заграждения фильтров, вклю-

ченных в диагональные плечи, равна 10 %.

Приведенный пример показывает, что на основе цепей рассматриваемого класса можно получить фильтрующие цепочки с нетипичными частотными характеристиками. Разработанная математическая модель фильтра поглощающего типа позволяет провести детальный анализ цепей такого класса, в результате которого можно сформулировать основные требования к составным частям ФПТ, а также рекомендации для проектирования.

5.3. Влияние входных параметров на характеристики фильтров поглощающего типа

Проведем анализ модели фильтра поглощающего типа с целью достижения предельных характеристик его избирательности, обеспечения минимального уровня отражения от входа фильтра в полосе его пропускания. Для этого выполним серию вычислений характеристик фильтра, варьируя его основные параметры: коэффициент электромагнитной связи отрезков СЛ, относительную полосу заграждения режекторных фильтров, подключенных к балластным нагрузкам, коэффициент неуравновешенности фазовой скорости.

Выполним оценку влияния коэффициента электромагнитной связи k отрезков связанных линий на частотные характеристики ФПТ с определением допусков на величину коэффициента электромагнитной связиk, в пределах которых обеспечивается уровень коэффициента отраже-

ния от входа ФПТ, не превышающий −20 дБ. На рис. 5.5 приведены частотные характеристики фильтра при трех значениях коэффициента связи k: 0,74; 0,707; 0,67. В диагональные плечи включены фильтры Баттерворта третьего порядка с относительной полосой заграждения 10 %, фазовые скорости нормальных мод равны между собой, длина отрезков связанных линий передачи соответствует 4 . На рис. 5.5,а показана частотная ха-

рактеристика обратных потерь ФПТ при трех значениях коэффициента связи СЛ, на рис. 5.5,б – частотная характеристика прямых потерь.

Как видно из рис. 5.5, минимум отражения от входа ФПТ в полосе пропускания, как и предполагалось, достигается при значении коэффициента связи k = 0,707. При таком значении коэффициента связи отрезок СЛ представляет собой квадратурный мост. Предельное отклонение коэффициента электромагнитной связи k от оптимального значения

111

5. Частотно-селективные цепи поглощающего типа

0,707, при котором уровень обратных потерь не превышает −20 дБ, составляет ±5 %.

Рис. 5.5. Частотные характеристики фильтра поглощающего типа при различном коэффициенте связи отрезков связанных линий: a – обратные потери; б – прямые потери

Получены предельные значения коэффициента электромагнитной связи k, при которых происходит совпадение характеристик передачи и отражения в окрестности центральной частоты фильтра. При этом максимальный коэффициент передачи (отражения) составляет −3 дБ. На рис. 5.6 приведены характеристики, типичные для описанного режима работы ФПТ.

112

5.3. Влияние входных параметров на характеристики фильтров...

Для оценки влияния неравенства фазовых скоростей в отрезке связанных линий передачи на характеристики ФПТ был взят идеальный ФПТ (см. рис. 5.4), основные параметры которого приведены в подразделе 5.2 и произведен ряд расчетов для различных значений коэффициента неуравновешенности фазовых скоростей мод .

Рис. 5.6. Частотные характеристики фильтра поглощающего типа при коэффициентах связи: a – k = 0,924; б – k = 0,383

В результате выяснено, что частотные характеристики ФПТ сильно зависят от степени неуравновешенности скоростей мод. Уже при небольшом значении неуравновешенности, не превышающем 5 %, частотные характеристики фильтра сильно искажаются, особенно в области высоких частот. На рис. 5.7 приведены характеристики ФПТ, в котором фазовые скорости мод отличаются на 3 %. При этом характеристики

113

5. Частотно-селективные цепи поглощающего типа

фильтров с более быстрой четной модой и более быстрой нечетной модой практически совпадают.

Рис. 5.7. Частотные характеристики фильтра поглощающего типа при коэффициенте неуравновешенности скоростей мод 1,03

Представляет интерес оценка предельной широкополосности фильтров поглощающего типа и влияния полосы заграждения режекторных фильтров в диагональных плечах отрезка связанных линий на характеристики фильтра в целом.

Установлено, что при любой полосе заграждения фильтров, подключенных к балластным нагрузкам, характеристики коэффициента передачи ФПТ на базе отрезка линий передачи со связью 3 дБ обратно пропорциональны характеристикам режекторных фильтров. При этом максимум коэффициента отражения от входа фильтра возрастает с увеличением относительной полосы пропускания. Особенно сильно данный эффект начинает проявляться при относительной полосе пропускания фильтра больше 30 %. Для повышения согласования фильтров с полосой пропускания 30 % и более предложен способ, который заключается в расширении полосы связи отрезка СЛ. Это может быть достигнуто заменой отрезка регулярных связанных линий отрезком плавно-нерегулярных или ступенчато-нерегулярных связанных линий передачи. На рис. 5.8 приведены примеры частотных характеристик ФПТ: с относительной полосой пропускания 50 % на базе отрезка регулярных СЛ со связью 0,707; на основе ступенчато-нерегулярной СЛ, состоящей из трех отрезков одинако-

114

5.3. Влияние входных параметров на характеристики фильтров...

вой длины с коэффициентами электромагнитной связи, равными 0,2, 0,85, 0,2. Структурная схема ФПТ на отрезке ступенчато-нерегулярных связанных линий приведена на рис. 5.9.

Рис. 5.8. Сравнение частотных характеристик фильтра поглощающего типа на основе отрезка регулярной и нерегулярной связанной линии передачи

Рис. 5.9. Структурная схема фильтра поглощающего типа на отрезке ступенчато-нерегулярных связанных линий передачи

Как было показано выше, характеристика коэффициента передачи ФПТ обратно пропорциональна характеристике режекторных фильтров, включенных в диагональные плечи отрезка СЛ. Применение нерегулярных связанных линий слабо влияет на амплитудно-частотную характеристику коэффициента передачи фильтра. Это позволяет сделать вывод, что

115

5. Частотно-селективные цепи поглощающего типа

основным способом повышения избирательности ФПТ является увеличение порядка режекторных фильтров. Однако реализация такого подхода сопряжена с рядом трудностей, таких как большие габариты фильтра, рост потерь в полосе пропускания, требования к идентичности частотных характеристик режекторных фильтров, технологическая трудоемкость.

Другим способом повышения избирательности ФПТ является создание фильтрующих цепочек, содержащих фильтры поглощающего типа и классические «отражающие» фильтры. На рис. 5.10 приведены схемы включения фильтров, позволяющие получить неотражающие цепочки с несимметричными (рис. 5.10,а,б) и симметричными (рис. 5.10,в) свойствами четырехполюсников, образуемых в виде каскадного включения ФПТ и ППФ.

Рис. 5.10. Цепочки фильтров поглощающего типа:

а– неотражающий вход (левый порт); б – неотражающий выход (правый порт); в – неотражающие вход и выход

Для приведенных схем включения фильтров проведен анализ частотных характеристик. В качестве модели «отражающего» фильтра использовалась модель полосно-пропускающего фильтра Баттерворта на основе соотношений (5.6)–(5.8). Установлено, что при каскадном соединении фильтров «отражающего» и поглощающего типов для обеспечения минимального значения входного коэффициента отражения необходимо определенное соотношение полос пропускания поглощающего и отражающего фильтров [5.10]. Полоса пропускания классического «отражающего» фильтра должна быть равной или больше полосы пропускания ФПТ. Это можно объяснить тем, что именно в таком режиме ФПТ нагружен на согласованное сопротивление в своей полосе прозрачности. На рис. 5.11 приведены расчетные частотные характеристики цепочки идеальных включенных каскадно ФПТ и ППФ при различном соотношении полос пропускания. Относительная полоса пропускания ФПТ задана 10 %, полоса пропускания ППФ принимала значения 5 %, 10 %, 20 %.

116

5.4. Рекомендации по проектированию фильтров поглощающего типа

Полосно-заграждающие и полосно-пропускающие фильтры обладали максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой (фильтры Баттерворта) и имели третий порядок.

Рис. 5.11. Частотные характеристики цепочки ФПТ+ППФ

при различном соотношении полос пропускания: a – полоса пропускания ППФ 5 %; б – полоса пропускания ППФ 10 %; в – полоса пропускания ППФ 15 %

5.4. Рекомендации по проектированию фильтров поглощающего типа

В процессе анализа модели фильтра поглощающего типа были установлены основные зависимости между параметрами элементов фильтра и его частотными характеристиками. На основе результатов анализа сформированы следующие рекомендации по проектированию ФПТ

1. Анализ коэффициента электромагнитной связи отрезка связанных линий позволяет утверждать, что оптимальным, с точки зрения согласования ФПТ по входу и выходу, является k = 0,707. При таком значении коэффициента связи отрезок связанных линий передачи представляет собой квадратурный мост, который выполняет роль «инвертора»

117

5. Частотно-селективные цепи поглощающего типа

коэффициента отражения от нагрузок, включенных в его диагональные плечи, в характеристику передачи ФПТ.

2.Для идеального ФПТ предельное отклонение коэффициента электромагнитной связи k от оптимального значения 0,707, при котором уровень обратных потерь не превышает −20 дБ, составляет ±5 %.

3.При значениях коэффициента электромагнитной связи k = 0,383 и k = 0,924 фильтр поглощающего типа вырождается в цепь, характеристи-

ки S21(f) и S11(f) которой практически совпадают в широкой полосе рабочих частот (см. рис. 5.6). Эта особенность ФПТ может быть использована

вустройствах сложения и деления сигналов с выраженными частотными свойствами.

4.Неуравновешенность электромагнитной связи и отличие скоростей мод в отрезке СЛ отрицательно влияют на характеристики ФПТ в целом. Отличие скоростей мод, составляющее 5 %, ведет к увеличению коэффициента отражения до −20 дБ и более.

5.При проектировании ФПТ с относительной полосой пропускания, составляющей 30 % и более, рекомендуется в качестве квадратурного моста использовать отрезки ступенчато-нерегулярных или плавнонерегулярных связанных линий передачи. Это позволяет уменьшить уровень отраженного сигнала во всей полосе рабочих частот и особенно вблизи полосы пропускания ФПТ.

6.Для достижения высокой избирательности цепей поглощающего типа возможно применение комбинации ФПТ и классических «отражающих» фильтров (см. рис. 5.10). При каскадном включении фильтров необходимо обеспечить согласование ФПТ по входу и выходу в полосе пропускания. Поэтому полоса пропускания классического фильтра в цепочке должна быть равной или больше полосы пропускания ФПТ.

Изложенные рекомендации применялись при разработке и макетировании фильтров поглощающего типа [5.10].

Литература к разделу 5

5.1.Фильтры и цепи СВЧ / под. ред. А. Матсумото ; пер. с англ. Л.В. Алексеева, А.Е. Знаменского, В.С. Полякова. – М.: Связь, 1976. – 248 с.

5.2.Филатов А.В. Флуктуационная чувствительность микроволновых нулевых радиометров на основе комбинированной импульсной модуляции / А.В. Филатов, Н.А. Каратаева, А.Г. Лощилов // Успехи современной радиоэлектроники. – 2006. – № 10. – С. 3–18.

118

Вопросы для самопроверки

5.3.Филатов А.В. Микроволновый радиометр для измерения сигналов с низкой эффективной шумовой температурой / А.В. Филатов, Н.А. Каратаева, А.Г. Лощилов // Приборы и техника эксперимента. – 2006. – № 6. – С. 82–88.

5.4.Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетий / под. ред. Т.Р. Газизова. – Томск: Том. гос. ун-т, 2002. – 206 с.

5.5.Малютин Н.Д. Синтез полосковых устройств для аналоговой обработки сверхширокополосных сигналов / Н.Д. Малютин, Э.В. Семенов, А.Н. Сычев // Известия вузов. Электроника. – 1998. – № 3. – С. 95–102.

5.6.Малютин Н.Д. Неотражающие фильтры-четырехполюсники (фильтры поглощающего типа) / Н.Д. Малютин, Э.В. Семенов, Д.Е. Владимиров // Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления: материалы всерос. науч.-практ. конф., посвященной 40-летию ТУСУРа, Томск, 2–4 октября 2002 г. – Томск, 2002. – С. 112–114.

5.7.Малютин Н.Д. Многосвязные полосковые структуры и устройства на их основе / Н.Д. Малютин. − Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. − 164 c.

5.8.Фуско В. Анализ и автоматизированное проектирование : пер. с англ. / В. Фуско. – М.: Радио и связь, 1990. – 288 с.

5.9.Фельдштейн А.Л. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ / А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич. – М.: Сов. радио, 1972.

5.10.Малютин Н.Д. Цепочки комбинированных фильтров поглощающего типа / Н.Д. Малютин, А.Г. Лощилов, А.А. Ладур // 18-я междунар. крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрымиКо’2009): материалы конф.: в 2 т. – Севастополь: Изд-во

«Вебер», 2008. – С. 489–490.

Вопросы для самопроверки

1.Назовите основные отличия фильтра поглощающего типа от классического полосно-пропускающего фильтра.

2.В каких задачах фильтры поглощающего типа будут наиболее востребованы?

3.Опишите структурную схему ФПТ и назначение ее элементов.

4.Как влияют скорости распространения четной и нечетной мод в отрезке связанных линий на характеристики ФПТ?

5.Какие существуют механизмы повышения избирательности фильтров поглощающего типа?

119